JP5823948B2 - 発光デバイス及び照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、照明設計の分野に関連し、さらに詳しくは、独立項の序文に従って、発光デバイス及び照明器具に関連する。

従来型の白熱光源は、電流の経路によって輝くようになっているタングステン・フィラメントを備えている。そのフィラメントは、一般的に、ガラス球の中心の近くにつるされていることから、全ての半径方向にほぼ一定した光度を供給する。そのフィラメントの高い輝度と組み合わせた光の動径分布は、過去において、例えばシャンデリアにおける使用などの一般的な照明目的に対し、白熱光源をポピュラーにしている。シャンデリアにおけるクリスタルは、きらめく照明効果を示し、それは非常に装飾的であると見なされている。

しかし、白熱光源は、短い寿命及び高い電力消費などの欠点に悩まされる。

白熱光源をLED光源で置き換えることによって、上記の問題が緩和され、有効性がかなり増すかもしれない。しかし、ほぼ全てのLEDは、半球（立体角、Ω＝2πsr）へ光を放つことだけが可能である一方、輝くフィラメントを使用する白熱光源は、一般的に、ほぼ完全な球（立体角、Ω＝4πsr）に均一に光を放つ。

特許文献1は、均一の光度の光線、及び、例えばLEDアレイなどの単一又は複数の色源からの放射照度を生成するための光学的集束素子によって光学的に結合される第1及び第2光混合要素を含む装置を開示している。第1光混合素子は、多色源からの光の均一な放射照度分布を生成する一方、その光度分布を不均一なままで残す。その集束素子及び第2光混合要素は、光軸に関する光度分布が実質的に変わらない一方で、第1光混合要素から受け取られる光線の光度分布を均一にするために使用される。

米国特許第7,352,510号明細書

上記を考慮して、本発明の目的は、狭い又は限られた光度分布を有する光源からの光を再び分配し、少なくともさらに幅広い空間的光度分布を持つ光を出力することが可能な発光デバイス及び対応する照明器具を提供することである。

この目的は、本発明によると、独立項において定義されるように、発光デバイス及び対応する照明器具によって成し遂げられる。

従って、本発明の1つの態様によると、少なくとも1つの光源及び導光ユニットを有する光ユニットを含む発光デバイスが備えられる。その導光ユニットは、光源から受光するための光入力部分、光出力部分及び光混合部分を含む。その光混合部分は、光入力部分と光出力部分との間に配置されている。さらに、その光出力部分は、ベースを有する漏斗形状であり、それは、光混合部分から受光するように配置され、凸型の上面及び凹型の下面を含む。その光出力部分は、さらに、円周光出力面を有するように配置される。その光出力部分の上面及び下面は、そのベースから円周光出力面まで導光路を定義する。

従って、狭い角度光度分布を有する光を、幅広い角度光度分布を持つ光に変換するために配置される発光デバイスが供給される。その少なくとも1つの光源からの光は、光混合部分において混合され、次に、円周の出力面を通して光を導き、出力するように設定されている漏斗形状の光出力部分の中へ均等に注入される。その構成は、従って、狭い角度光度分布を持つ光源を使用することを可能にし、なおかつ、例えば一般的な照明の応用において望まれる白熱光源の光度分布に実質的に似た出力角度光度分布を得ることを可能にする。開示される発光デバイスは、現在の蛍光電球を置き換えるために適用されてよく、例えば、シャンデリアにおける高輝度光源として使用されてもよい。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、少なくとも1つの光源は発光ダイオード、LEDである。LEDは、長い寿命、低いエネルギー消費、小さいサイズなどの多数の利点を備える。本発明の概念を用いて、LEDは、従来、それらの限られた角度光度分布が原因で適していなかった照明の応用において、有利な方法で使用することが出来る。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、上面及び下面は有利に湾曲している。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、光混合部分の断面は、六角形状及び四角形状のうちの一方である。これらの構成は、かなり効果的な注入光の混合を可能にする。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、上面は、光出力であるように設定配置される。この構成では、円周光出力に加えて、その漏斗形状の光出力部分の上面が、その発光デバイスからの出力光のより全体の角度光度プロファイルに貢献する。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、その光混合部分の長さは、所定のカラーの光のカラー均一性の調節を可能にするように設定される。その光混合部分の長さは、有利にも、光ユニットが、異なるカラーの複数の光源とともに配置される場合、望まれるカラー均一性を調節するために使用される。例えば、それらの光源は、温白色と組み合わせたクール白色（cool white）、琥珀色と組み合わせたクール白色、赤及び緑及び青（RGB）、又は赤及び緑及び青及び琥珀色（RGBA）などの異なる色のLEDの組み合わせであってよい。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、その光混合部分の表面の少なくともサブエリア（subarea）は、その光混合部分内の光混合を増やすために光学微細構造を有するようにされる。その光混合部分の光混合特性を増やすことによって、その光混合部分の長さは減少してもよい。従って、望まれる光の混合を得る一方で、その発光デバイスのサイズは減少してもよい。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、円周光出力面は、光入力部分に垂直に配置される。従って、漏斗形状の光出力部分は、少なくとも1つの光源の光を円周光出力面へ向けて運び、その光の主な方向を変え、全ての方向において90度に分配し、それは、出力光のトロイダル光度分布をもたらす。より完全な分布を生成するために、光出力部分は、いくらかの光がその漏斗の上面から逃げることを可能にするように、交互に配置されてよい。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、光ユニットは、さらに、少なくとも1つのコリメータ素子を含む。その光源から出力される光の放射プロファイルは、そのデバイスから出力される最終的な角度光分布に影響を与える。少なくとも1つの光源からの光の光混合部分へ入る前のコリメーション（collimation）は、その発光デバイスから出力された光の角度光度分布のさらなる制御を可能にする。適切なコリメーションによって、光入力部分に注入される実質的に全ての光が、円周光出力面を通して運ばれ、出力されてよい。さらに、コリメーションは、その光入力部分によって受け取られる光に対する結合効率が改善するように有利に使用されてもよい。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、円周光出力面は湾曲している。そのような構成によって、その角度光度分布がさらに制御されてよい。その角度光度分布は、より完全な角度光度分布を可能にするために分散されてよい。望まれる光度分布は、有利にも、対応する方法においてその円周光出力面の曲率を設計することによって成し遂げられる。その曲率は、例えば、ベジェ曲線であるように選択されてもよい。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、その円周光出力面は、追加の表面構造部とともに少なくとも部分的に配置され、それは、有利にも、出力光の特性のさらなる制御又は操作を可能にする。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、その追加の表面構造部は、屈折構造、ホログラフィック構造、薄い粒子コーティング、及び、出力光が所定の照明応用に適合するようにするための粗い表面のうちの1つである。一例として、その円周光出力面は、入射光線に対する角度光度分布を、一般的な照明応用に望ましいランバート・プロファイルに分配する前方散乱構造を備える。これは、ホログラフィック構造によって効率的になし遂げられる。

当該発光デバイスの１つの実施形態に従って、その光ユニットは、さらに反射器を含む。その反射器は、光源からの光を光混合部分へ向けて反射させるように配置されてよく、従って、その光混合部分の中へ注入されている光の量を増やすことから、その後に、その発光デバイスからの光出力の合計の光束を増やす。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、そのデバイスは、さらに、白熱光源を使用した照明器具の中へ組み込むように適合される。従って、本発明のデバイスは、有利にも、白熱光源を置き換えるために、あるいはフィラメント電球、ハロゲンランプなどの白熱光源に通常使用される照明器具の中に適合させるために使用してよい。それは、ユーザーが、本発明の概念に従って、既存の照明器具における費用が高く効率の低い白熱光源を発光デバイスで便利に置き換えてよいことから、有利である。

本発明の第2態様に従って、少なくとも1つの発光デバイスを含む照明器具が提供される。その照明器具は、その発光デバイスに関して記載されているような対応する利点を示す。

本発明のこれら及び他の態様、特徴及び利点は、以下に記載される実施形態を参照して明らかになり、解明されるであろう。

本発明は、ここで、添付の図表を参照してより詳しく記載され、それらの図表では、同じ参照符号が、同一又は同様の素子に対して使用されている。

本発明による発光デバイスの1つの実施形態の概略的な断面図である。 本発明による発光デバイスの1つの実施形態の概略的な斜視図である。 本発明による発光デバイスの1つの実施形態の概略的な斜視図である。 本発明に従って、発光デバイスの1つの実施形態から放たれた光の遠視野角度光度分布の模範的な光度プロファイルを示す図である。 本発明による発光デバイスの1つの実施形態の概略的な斜視図である。 本発明による発光デバイスの1つの実施形態の光出力部分の詳細の拡大図である。 本発明に従って、発光デバイスの1つの実施形態から放たれた光の遠視野光度分布の模範的な光度プロファイルを示す図である。 本発明に従って、発光デバイスを含む模範的なランプを示す図である。

本発明の実施形態が、以下において、本発明の一定の実施形態が示される付属の図表を参照してさらに完全に記載される。しかし、本発明は、多くの異なる形において具現化されてもよく、ここで説明される実施形態に限定されると見なすべきではない。それらの実施形態は、本開示が綿密且つ完全であるように、例を用いて提供され、当業者に本発明の範囲を完全に伝える。類似の数字は、全体に及んで類似の素子を示す。

図1aは、本発明に従って、発光デバイスの1つの実施形態の概略的な断面図を示す。発光デバイス100は、2つの光源102を有する光ユニット101を含む。その光源は、ここでは、反射器103上に搭載されている。この模範的な実施形態において、ランバートLEDは、光源102として使用される。ランバートLEDは、ランバートの余弦則、
I=I₀cos(α) 数1
に従う光源であり、αは視角に等しく、I₀は、α＝0における、すなわちLEDに垂直である場合の光度である。数式1から推定されるように、α＝90に近い視角での光度は、非常に低い。市販のランバートLEDの例に、Luxeon Rebel又はLuxeon K2 LEDがある。

注目すべきは、他のタイプ及び数の光源が、当該発光デバイスにおいて適用可能であり、本発明の概念の範囲内に含まれるとして見なされることである。さらに、光源の異なるカラー及び／又は光源のカラーの組み合わせが、本発明に従って、その発光デバイスに適用可能である。

さらに、発光デバイス100は、細長い光混合部分120を含む導光ユニット110及び光出力部分112を含む。その光混合部分120は、例えば円筒形である。その光混合部分120は、光ユニット101で配置される。それは、さらに、光源102が放つ光を、例えば、光混合部分の表面などの光入力部分111を通して第1端部で受け取り、その受け取った光は光混合部分120の中を運ばれ、その光混合部分120に沿って平行に広がる主な光軸oaに沿って運ばれる時にその光を混合し、その混合光を次に光出力部分112に均一に注入するように配置される。

導光ユニット110に適切な材料は、例えば、ポリカーボネート（PC）、ポリメチル・メタクリレート（PMMA）、ポリエチレン・テレフタル酸エステル（PET）、アクリル、ガラス又はそれらの如何なる組み合わせなどの透明なポリマーであってよい。

光出力部分112は、漏斗形状である。その光出力部分112のベース117は、光混合部分120からの混合光を受けるように配置される。さらに、その漏斗形状の光出力部分112の下面114及び上面113は、光を運ぶための円周光路を定義する。円周光出力面115は、その漏斗形状の光出力部分112の上端に配置されることによって、上面113及び下面114によって定義される光路に対する光出力面を供給し、光を導く。この模範的な実施形態において、その円周光出力面115は、光軸に垂直に配置された平坦な表面である。上面113及び下面114は、この模範的な実施形態では、上面113が凸型で、下面114が凹型であるように湾曲している。

代替の実施形態において、平坦な表面は、光軸（非表示）に関してもう1つの所定の角度を有してもよい。一例として、90よりも大きい所定の角度は、より下方の照明系（例えば、「水平線」の下の光束が60%及び水平線の上の光束が40%）の配置の効果的な方法を提供する。同じ方法で、上方向の照明系は、所定の角度を90度未満にすることによって達成可能である。

ここで、本発明に従って発光デバイスの1つの実施形態の概略的な斜視図を示す図1bを参照すると、光混合部分120は、xy面において見ると、6角形の断面を有している。図1cに示される発光デバイスの1つの実施形態において、その光混合部分120は、xy面において見ると、4角形の断面を有している。これらの断面の形状の両方は、異なるカラーの光の混合において効果的な光混合をもたらす。

当該発光デバイスの1つの実施形態によると、光混合部分120は、任意的に、その光混合部分120の光混合特性を増やすための光学的微細構造を備えている。その光学的微細構造は、光混合部分120の表面120aに配置されてよい（図1a参照）。その光混合特性を増やすことによって、必要な光混合部分120の長さが短くされてよい。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、光混合部分120の長さは、所定のカラーの光のカラー均一性の調節を可能にするように設定される。説明として、その光混合部分の長さは、クールな白色LED及び琥珀色LEDからの光に対してかなりの混合を可能にするように調節されてよい。従って、その混合光は白熱ランプの外見をまねるのに適切なカラー均一性を達成してよい。

図2は、本発明に従って、発光デバイス100から発せられる光のxz面上に投射された遠視野角度光度分布I（θ、φ）の模範的な光度プロファイルを示す。ここで、θは、z軸に関する極角を表わし、φは、x軸からのxy面での方位角座標を表わす。この模範的な実施形態において、z軸は、z軸に一致し、そのデバイスの方向は、図1a及び2に、A及びBでその発光デバイスの上面及び底面の位置をそれぞれ示すことによって、説明されている。完全な3次元光度は、z軸の周りの回転面である。

図2及び図3cに示される光度分布プロファイルは、図1b及び図3にそれぞれ示されるように、Optical Research Associate（LightTools(登録商標)）からの光線追跡ソフトウェアを使用して実施形態100をモデル化することによって生成されている。

光混合部分112から光出力部分へ注入されている光の主要部分は、円周光出力面115を通して出力される。しかし、上面113は、さらなる光出力を供給するように配置された発光デバイス100の実施形態において存在する。従って、一例として、光の10‐20%は、上面113を通して出力されてよく、それは、ひき続き角度光度プロファイルの幅の増加をもたらす。図1bに関して記載され、図2にその角度光度分布が示されている模範的な実施形態に対する角度光度分布において、上面113から出力された光の貢献は、光軸（図2においてAに向く方向）に沿った光度分布によって表わされる。

光源102の放射プロファイルは、発光デバイス100、200から出力される光の角度光度プロファイルに影響し得る。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、光ユニット101は、さらに、例えば、コリメート・レンズ（collimating lens）又はミラーなどであるコリメート素子（非表示）を備え、その発光デバイス100、200から出力される光の角度光度分布の制御を増やす。

当該発光デバイスの代替の実施形態において、下面114及び上面113の低い曲率は、光出力部分112から注入される実質的に全ての光が、湾曲した導光部分を通して導かれ、ひき続き円周光出力面115を通して出力されることを保証するように設定される。その模範的な実施形態における円周光出力面115の方向は、光出力部分112のベース117及び光入力部分111に関して約90度の角度をなす。漏斗状の素子は、例えば（ランバートの）LED源などの少なくとも1つの光源の光を、円周光出力115へ向けて運び、そうすることによって、その光の主要方向を全ての方向において、~90度変える。これは、トロイダル状の出力光の光度分布をもたらす（図2参照）。完全な分布を生成するために、いくらかの光は、漏斗形状の光出力部分の上面113から出ることが可能である。

当該発光デバイスのもう1つの模範的な実施形態において、図3aに示されるように、ほぼ完璧な全方向性の角度光度分布を供給する光デバイス200が開示される。そのデバイス200は、光ユニット101及び導光ユニット110を含み、図1bに関して記載された以前の模範的な実施形態と同様に構成された基本的構成にある。その光ユニット101は、2つのLED（鋭いカットオフを2×30度で持つランバート）が配置されている反射キャビティ（reflecting cavity）103を有する。光源からの光は、光混合部分120に注入される前に、コリメート構造部（非表示）によって平行にされる。

さらに、光出力部分１１２は、湾曲した円周光出力面２１５を有する（図３bの拡大図参照）。その湾曲した円周出力面２１５は、ベジェ曲線によって説明される。代替の実施形態において、湾曲した円周出力面２１５の他の形状が適用可能である。光出力面２１５は、さらに、入射光をランバート・プロファイルの中へ分配する前方散乱構造部を有する。その前方散乱構造部は、ここでは、ホログラフィック構造である。代替の実施形態において、例えば、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２又は多孔質ポリマーなどの粒子の薄い層、又は粗い構造が、その角度光度分布を再分配するように光出力面２１５上に配置されてもよい。

屈折及び／又はホログラフィック構造部は、例えば、対応する構造を持つ鋳型を備えることによって射出成形を使用する場合に、そのデバイスの製造に組み込むことができる。粒子の薄層は、薄膜技術、スパッタリングなどによって配置してよい。

図３ｃは、本発明に従って、発光デバイスの実施形態２００から発せられる光の遠視野角度光度分布の模範的な光度プロファイルを示す。ここで、光度分布は、実質的に均一な角度光度分布を持ち、ほぼ全方向性である。

本発明は、さらに、上記に記載された発光デバイス100、200を含む照明器具に関連する。

当該発光デバイスの1つの実施形態に従って、そのデバイスは、さらに、白熱光源の使用を対象とした照明器具の中へ組み込むように、すなわち、フィラメント電球、ハロゲンランプなどの白熱光源に対して通常使用される照明器具の中に適合するようにされている。従って、本発明に従って、その発光デバイスを持つそのような照明器具における白熱光源の置換えが可能になる。図4は、部品400に適合された発光デバイスの模範的な実施形態を示す。発光デバイス400は、白熱光源に対して通常使用される照明器具においてかみ合わせるために底部401を有する。その底部401は、発光デバイス100、200と、機械的及び電気的にかみ合うように配置される。その底部401は、さらに、光源によって生成される熱を除去するのに役立つ。その代わりに、その光ユニット101は、個別のヒートシンクを有する。発光デバイス400は、任意的に、例えば、シャンデリアにおいてろうそくの炎の印象を与えるためのガラス電球402とともに配置され、その光学素子を、接触、ダスト及び塵から保護する。

上記において、添付の請求項において定義されるような本発明による発光デバイスの実施形態が記載されてきている。これらは、非限定的な例のみとして見なすべきである。当業者にとって当然のことながら、多くの改良形及び代替の実施形態が、本発明の範囲内において可能である。

本出願の目的に対して、特に添付に請求項に関して注目すべきは、「含む」という用語は、他の素子又はステップを除外しておらず、単数を表わす用語は、複数形を除外せず、それ自体は、当業者に明らかになるであろう。

Claims (12)

1. 少なくとも１つの光源を有する光ユニット；及び
   導光ユニット；
   を含む発光デバイスであり、
   該導光ユニットは：
   前記光源から受光するための光入力部分、
   光出力部分；及び
   該光入力部分と該光出力部分との間に配置された光混合部分；
   を含み、
   該光出力部分は、漏斗形状であり：
   前記光混合部分から受光するように配置されたベース；
   凸型である上面；
   凹型である下面；及び
   円周光出力面；
   を含み、
   前記上面及び前記下面は、前記ベースから前記円周光出力面まで導光路を定義し、
   前記発光デバイスの光度分布は、実質的に均一な角度光度分布を持ち、ほぼ全方向性となるように、前記円周光出力面の断面はベジェ曲線である、
   ことを特徴とする発光デバイス。
2. 前記光混合部分の断面は、六角形状、四角形状のうち１つである、請求項１に記載の発光デバイス。
3. 前記上面は、光出力であるように配置されている、請求項１又は２に記載の発光デバイス。
4. 前記光混合部分の長さは、所定のカラーの光のカラー均一性の調節を可能にするように配置されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光デバイス。
5. 前記光混合部分の表面の少なくともサブエリアは、前記光混合部分内の光混合を増やすための光学的微細構造を有している、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光デバイス。
6. 前記光ユニットは、さらに、少なくとも１つのコリメート素子を含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光デバイス。
7. 前記円周光出力面は、少なくとも部分的に追加の表面構造部とともに配置されている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光デバイス。
8. 前記追加の表面構造部は、屈折構造部、ホログラフィック構造部、薄い粒子コーティング、及び粗い表面のうちの１つである、請求項７に記載の発光デバイス。
9. 前記光ユニットは、さらに反射器を含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光デバイス。
10. 白熱光源を使用する照明器具の中に組み込まれるようにさらに適合されている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の発光デバイス。
11. 前記少なくとも１つの光源は発光ダイオードである、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発光デバイス。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の少なくとも１つの発光デバイスを含む照明器具。
    

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